輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括：DSP處理器，用于輸出相位相差120度的三組三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)；三相放大通道，其結(jié)構(gòu)完全相同，并行排布，分別接收由DSP處理器發(fā)出的相對(duì)應(yīng)的所述三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，并將三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz，用于控制驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本發(fā)明具有輸出波形更加平滑，電機(jī)運(yùn)行噪音小，平順；信噪比高，信號(hào)失真小；動(dòng)態(tài)范圍寬、電路穩(wěn)定性好；抗干擾能力強(qiáng)；可輸入數(shù)字或模擬信號(hào)，使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。
[0002]【背景技術(shù)】
目前，如果想做小功率的電機(jī)性能測(cè)試，信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生足夠高頻率正弦信號(hào)，但不可能帶載。變頻器可以輸出大功率，但輸出頻率太低，而且接線調(diào)試復(fù)雜。公知的普通三相交流電機(jī)如果用工頻50赫茲工作，只能用于固定轉(zhuǎn)速如3000轉(zhuǎn)/分、1500轉(zhuǎn)/分等固定轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。普通變頻調(diào)節(jié)范圍也有限，這些都限制了三相電動(dòng)機(jī)的使用范圍。且普通變頻器PWM頻率普遍偏低，僅幾十KHz赫茲，驅(qū)動(dòng)器輸出正弦波頻率低，一般只有幾百HZ，波形也不夠平滑，特別是輸出正弦頻率較高的時(shí)候?？刂齐妱?dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音和振動(dòng)都普遍偏大。普通控制器且運(yùn)行速度慢，I/O有限，也不利于驅(qū)動(dòng)器整體功能擴(kuò)展。普通驅(qū)動(dòng)電路上一般只作高低壓隔離，并不是所有的信號(hào)都作隔離措施，抗干擾性能也不夠好。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】

為了克服上述問題，本發(fā)明向社會(huì)提供一種可以減低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音和振動(dòng)的輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:提供一種輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括:
DSP處理器，用于輸出相位相差120度的三組三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)；
三相放大通道，其結(jié)構(gòu)完全相同，并行排布，分別接收由DSP處理器發(fā)出的相對(duì)應(yīng)的所述三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，并將三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz，用于控制驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0005]作為對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)，每相所述放大通道包括:
PWM光耦電路，用于接收從DSP處理器輸入的PWM信號(hào)，并光耦到濾波電路；
濾波電路，接收從PWM光耦電路過來的PWM信號(hào)，并進(jìn)行濾波；
雙輸出高速比較器，接收從濾波電路過來的PWM信號(hào)，并將所述PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz ；
放大電路，將頻率大于等于20000Hz的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，并輸送給驅(qū)動(dòng)電路；
驅(qū)動(dòng)電路，接收放大電路過來的PWM信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
[0006]作為對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)，在所述濾波電路和雙輸出比較器之間還設(shè)有選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)用于在模擬信號(hào)輸入和數(shù)字信號(hào)輸入之間選擇。
[0007]作為對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)，在所述濾波電路和雙輸出比較器之間還設(shè)有由RC電路構(gòu)成的削峰電路。
[0008]作為對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)，還包括反饋電路，所述反饋電路包括有與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連接的霍爾電流傳感器、反饋光耦電路和反饋信號(hào)放大電路，霍爾電流傳感器將所采集到的輸出端電流輸送給反饋光耦電路，所述反饋光耦電路再將電流輸送給反饋信號(hào)放大電路，經(jīng)放大后反饋給DSP處理器，控制DSP處理器的工作狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明由于提高了 PWM信號(hào)的輸出頻率，達(dá)到大于等于20000Hz，其輸出正弦波的波形更加平滑，電機(jī)運(yùn)行噪音小，平順；而現(xiàn)有普通變頻電路只能工作在從幾十赫茲到幾百K赫茲的低頻段，輸出正弦波不夠平滑，控制電機(jī)時(shí)噪音和振動(dòng)都較大。
[0010]在輸出端接有LC低通電路，確保了高頻率PWM轉(zhuǎn)換成平滑正弦波的輸出。當(dāng)正弦波頻率提高到20千赫茲后，應(yīng)用領(lǐng)域比現(xiàn)有的同類電路更廣泛。
[0011]本發(fā)明頻率響應(yīng)寬，信噪比高，信號(hào)失真小。由于合理運(yùn)用了高頻放大電路及高速元器件，雙輸出高速比較器U5 (LT1016)傳導(dǎo)延遲時(shí)間典型值為10納秒，高速驅(qū)動(dòng)集成電路U6 (IR2011S)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間分別為80納秒和60納秒，對(duì)于工作在2兆赫茲上也留有充足的裕量。Ql和Q2在高頻運(yùn)用里接成共基極放大形式，使電路更加穩(wěn)定。加入環(huán)路負(fù)反饋后，整個(gè)電路可以穩(wěn)定工作在2兆赫茲上，甚至更高，并且還能保證高頻率下優(yōu)良的性能。
[0012]本發(fā)明動(dòng)態(tài)范圍寬、電路穩(wěn)定性好。由于電路工作在高頻率，高頻電路工作對(duì)電源的穩(wěn)定性要求就顯得特別重要。普通的變頻器或驅(qū)動(dòng)器，電路只作簡(jiǎn)單濾波或只對(duì)小部分電路穩(wěn)壓，整體電路工作的穩(wěn)定性明顯不如全電路穩(wěn)壓。所以本系統(tǒng)除末級(jí)功率管供電之夕卜，全部采用線性三端穩(wěn)壓集成電路來供電，并加強(qiáng)了退耦，保證了電路工作的穩(wěn)定性。正負(fù)雙電源供電，保證了更寬的動(dòng)態(tài)范圍和頻率響應(yīng)。每組穩(wěn)壓電源均有完善的濾波和退耦電容。
[0013]本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)。反饋光耦U4和PWM光耦電路Ul均由DSP處理器一端的供電，均是由DSP處理器供電電源VDSP輸入，PffN IN信號(hào)與1-SENSOR信號(hào)共用一個(gè)信號(hào)地回路，其他部分共用V+、V-的電源地回路。這樣，無論是輸入還是反饋，信號(hào)都是徹底隔離的，極大增強(qiáng)了抗干擾能力。
[0014]本發(fā)明可輸入數(shù)字或模擬信號(hào)，使用靈活。由于高頻性能良好，本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于工業(yè)控制，還可以用于電機(jī)性能測(cè)試。一般的驅(qū)動(dòng)器只能輸入數(shù)字PWM信號(hào)，限制了使用范圍。
[0015]過流保護(hù)電路穩(wěn)定、可靠。運(yùn)用線性光耦及軌對(duì)軌運(yùn)放放大微弱采樣信號(hào)，不僅隔離了不必要的干擾，而且運(yùn)放的帶通電路對(duì)信號(hào)再進(jìn)行一次濾波，確保了信號(hào)的純凈。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明其中一相放大通道的方框示意圖。
[0018]圖3是圖2的電路原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]請(qǐng)參見圖1至圖3，圖1至圖3揭示的是一種輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括:
DSP處理器，用于輸出相位相差120度的三組三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)；
三相放大通道，其結(jié)構(gòu)完全相同，并行排布，分別接收由DSP處理器發(fā)出的相對(duì)應(yīng)的所述三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，并將三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz，用于控制驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0020]作為對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)，每相所述放大通道包括:
PWM光耦電路，用于接收從DSP處理器輸入的PWM信號(hào)，并光耦到濾波電路； 濾波電路，接收從PWM光耦電路過來的PWM信號(hào)，并進(jìn)行濾波；
雙輸出高速比較器，接收從濾波電路過來的PWM信號(hào)，并將所述PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz ；
放大電路，將頻率大于等于20000Hz的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，并輸送給驅(qū)動(dòng)電路；
驅(qū)動(dòng)電路，接收放大電路過來的PWM信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
[0021]在所述濾波電路和雙輸出比較器之間還設(shè)有選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)用于在模擬信號(hào)輸入和數(shù)字信號(hào)輸入之間選擇。
[0022]在所述濾波電路和雙輸出比較器之間還設(shè)有由RC電路構(gòu)成的削峰電路。
[0023]本發(fā)明還包括反饋電路，所述反饋電路包括有與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連接的霍爾電流傳感器、反饋光耦電路和反饋信號(hào)放大電路，霍爾電流傳感器將所采集到的輸出端電流輸送給反饋光耦電路，所述反饋光耦電路再將電流輸送給反饋信號(hào)放大電路，經(jīng)放大后反饋給DSP處理器，控制DSP處理器的工作狀態(tài)。
[0024]本發(fā)明中，由DSP處理器輸出的相位相差120度的A、B、C三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，分別進(jìn)入A、B、C、三個(gè)放大通道的差分輸入端。本實(shí)施例中，僅以A相放大通道為例加以說明，其余B相放大通道和C相放大通道結(jié)構(gòu)相同，工作原理也一樣；在A相放大通道中，信號(hào)在電路輸入端PWM IN+和PWM IN-，經(jīng)第一電阻R1、第二電阻R2到達(dá)光耦電路U1。光耦電路Ul的供電部分分為兩組:發(fā)射端供電由DSP部分電源提供，輸入電平與DSP匹配；接收端供電由驅(qū)動(dòng)部分提供，與DSP是完全隔離的。隔離后的PWM信號(hào)由光耦電路Ul的6、7腳輸出經(jīng)第二十七電阻R27、第六二極管D6、第三十七電容C37和第二十六電阻R26、第五二極管D5和第三十六電容C36組成的濾波電路，分別輸出經(jīng)過選擇開關(guān)SI后，再經(jīng)第八電阻R8、第七電阻R7到雙輸出高速比較器U5 (LT1016 )的2、3腳，也就是雙輸出高速比較器U5的正反相輸入端，雙輸出高速比較器U5 (LT1016)的7、8腳分別為正、反輸出端。選擇開關(guān)SI是輸入選擇開關(guān)，本實(shí)施例中采用的是單刀雙擲開關(guān)；圖3中選擇開關(guān)SI的位置為數(shù)字PWM輸入狀態(tài)，如果需要模擬信號(hào)輸入，將選擇開關(guān)SI置于另外一個(gè)位置，模擬信號(hào)從SlA的公共端輸入。第二十四電阻R24是為了匹配輸入信號(hào)源的輸出阻抗而設(shè)，第三十四電容C34可以濾去干擾雜波，保證信號(hào)的純凈。由于雙輸出高速比較器U5的3腳通過第八電阻R8接到地，輸入的模擬信號(hào)如果是頻率連續(xù)變化的，那么與地(低電平)相比較，可以產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)。雙輸出高速比較器U5(LT1016)是一個(gè)正負(fù)雙輸出高速比較器，開關(guān)周期典型值達(dá)10納秒，可以輸出一正一負(fù)兩路高速信號(hào)，分別進(jìn)入由第九電阻R9、第一三極管Q1、第十一電阻Rll和第十電阻R10、第二三極管Q2、第十二電阻R12兩路共基極初級(jí)放大電路放大后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)在這里進(jìn)入高速驅(qū)動(dòng)集成電路U6 (IR2011S)，高速驅(qū)動(dòng)集成電路U6 (IR2011S)為高低輸出的高速驅(qū)動(dòng)集成電路，可以輸出正負(fù)兩路PWM信號(hào)。高速驅(qū)動(dòng)集成電路U6 (IR2011S )輸出的驅(qū)動(dòng)電壓，足以使輸出級(jí)的大功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，產(chǎn)生足夠的電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。第三二級(jí)管D3、第十七電容C17構(gòu)成自舉電路，進(jìn)一步增大高速驅(qū)動(dòng)集成電路U6 (IR2011S)的驅(qū)動(dòng)能力，第十五電阻R15、第十六電阻R16分別為第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl、第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2的柵極電阻，第二二極管D2、第四二極管D4防止干擾脈沖通過第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl和第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2。當(dāng)PWM信號(hào)的正脈沖到來時(shí)，第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl導(dǎo)通，第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2截止，電流經(jīng)V+通過第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl到第一電感LI輸出到電機(jī)，當(dāng)PWM信號(hào)的負(fù)脈沖到來時(shí)，第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2導(dǎo)通，第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl截止，電流經(jīng)V-通過第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2到第一電感LI輸出到電機(jī)，這樣就完成一個(gè)PWM周期內(nèi)導(dǎo)通工作。
[0025]第十八電阻R18為負(fù)反饋電阻，用于調(diào)整整個(gè)電路的增益，同時(shí)也確保高頻工作的穩(wěn)定，第二十五電阻R25、第三十五電容C35為消除波形抖動(dòng)而加入的。第一電感L1、第二十三電容C23組成LC低通濾波，使放大后的PWM方波變?yōu)槠交恼也?，輸出端OUT接電動(dòng)機(jī)。第二十二電容C22、第十七電阻R17構(gòu)成消尖峰電路，防止第一電感LI及電動(dòng)機(jī)的線圈電感產(chǎn)生的尖峰脈沖損壞大功率場(chǎng)效應(yīng)管。第二穩(wěn)壓集成電路U2、第三穩(wěn)壓集成電路U3、第七穩(wěn)壓集成電路U7、第八穩(wěn)壓集成電路U8四個(gè)穩(wěn)壓集成電路分別為相應(yīng)的電路提供穩(wěn)定電壓。其中第三穩(wěn)壓集成電路U3和第八穩(wěn)壓集成電路U8分別給雙輸出高速比較器U5提供正負(fù)穩(wěn)定電源，第七穩(wěn)壓集成電路U7給高速驅(qū)動(dòng)集成電路U6提供穩(wěn)定電源，第二穩(wěn)壓集成電路U2經(jīng)第三穩(wěn)壓集成電路U3再次穩(wěn)壓后輸出3.3V給光耦電路U1，第九電容C9、第二十七C27分別是光耦電路Ul兩路電源的退耦電容。各組穩(wěn)壓電源不僅在各處的輸入和輸出端接有大容量電解電容濾波，同時(shí)也接有小容量的陶瓷電容進(jìn)行高頻退耦。末級(jí)的第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl、第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2的供電，分別由第十九電容C19、第二十電容C20、第二十一電容C21及第二十四電容C24、第二十五電容C25、第二十六電容C26進(jìn)行濾波和高頻退耦，其中第十九電容C19和第二十四電容C24是專門為提高頻率而增加的。在第一大功率場(chǎng)效應(yīng)管Tl和第二大功率場(chǎng)效應(yīng)管T2相連到第一電感L I的輸出端，串接了一個(gè)霍爾電流傳感器H，當(dāng)特殊原因使輸出電流超過設(shè)定值時(shí)，霍爾電流傳感器H輸出一個(gè)直流信號(hào)，經(jīng)第三電阻R3、第四電阻R4、第一二極管D1、反饋光耦U4組成的光耦隔離電路產(chǎn)生反饋信號(hào)1-SENSOR送回DSP處理器，DSP處理器停止輸出，以避免電流過大而造成元件損壞。反饋光耦U4輸入端接第一二極管Dl防止輸入信號(hào)過大，第十九電阻R19為信號(hào)限流電阻，第三十一電容C31對(duì)電流取樣信號(hào)濾波后進(jìn)入反饋光耦U4，本實(shí)施例中所述反饋光耦采用的型號(hào)為HCPL-7840芯片，HCPL-7840芯片屬于低溫漂線性光耦，偏置電壓僅為
0.3mV，正好適用于直流電流的采樣。反饋光耦U4也由兩路隔離電源供電，第三十二電容C32、第三十三電容C33分別是兩組電源的退耦電容。反饋光耦U4輸出的信號(hào)經(jīng)第二十電阻R20、第二十一電阻R21到反饋信號(hào)放大電路U9A進(jìn)行放大，后再送到DSP處理器。反饋信號(hào)放大電路U9A型號(hào)為TLV2372，屬于“軌到軌”運(yùn)放，即運(yùn)放輸出范圍可達(dá)電源電壓，對(duì)于低電壓工作的運(yùn)放來說尤其重要。第二十二電阻R22是運(yùn)放的負(fù)反饋電阻，它與第三十電容C30構(gòu)成RC帶通，防止非有用信號(hào)通過，第二十三電阻R23是運(yùn)放輸出電阻，第二十八電容C28再次對(duì)取樣的信號(hào)進(jìn)行濾波，得到純凈的電流取樣信號(hào)給DSP處理器。第七二極管DAl是雙二極管，內(nèi)部接有兩個(gè)一正一反的二極管，分別是第七A 二極管DA1A、第七B 二極管DA1B，限制信號(hào)電壓不會(huì)超過電源電壓。
[0026]同理，B相放大通道和C相放大通道的結(jié)構(gòu)也是如此。這樣，當(dāng)DSP處理器送出的三個(gè)每相120度的PWM信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)輸出端就能使電機(jī)完成一轉(zhuǎn)的動(dòng)作，并且任意一相出現(xiàn)電流過大時(shí)都可以可靠地保護(hù)。
[0027]本發(fā)明中，電源V+、V-電壓范圍為+50V~+200V，-50~_200V，DSP處理器可選用型號(hào):德州儀器的TMS320F2810或者TMS320F2811。
【權(quán)利要求】
1.一種輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，包括: DSP處理器，用于輸出相位相差120度的三組三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)； 三相放大通道，其結(jié)構(gòu)完全相同，并行排布，分別接收由DSP處理器發(fā)出的相對(duì)應(yīng)的所述三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，并將三相驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz，用于控制驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，每相所述放大通道包括: P麗光耦電路，用于接收從DSP處理器輸入的PWM信號(hào)，并光耦到濾波電路； 濾波電路，接收從PWM光耦電路過來的PWM信號(hào)，并進(jìn)行濾波； 雙輸出高速比較器，接收從濾波電路過來的PWM信號(hào)，并將所述PWM信號(hào)的頻率提高到大于等于20000Hz ； 放大電路，將頻率大于等于20000Hz的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，并輸送給驅(qū)動(dòng)電路； 驅(qū)動(dòng)電路，接收放大電路過來的PWM信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:在所述濾波電路和雙輸出比較器之間還設(shè)有選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)用于在模擬信號(hào)輸入和數(shù)字信號(hào)輸入之間選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:在所述濾波電路和雙輸出比較器之間還設(shè)有由RC電路構(gòu)成的削峰電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輸出正弦波頻率高達(dá)20000Hz的三相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:還包括反饋電路，所述反饋電路包括有與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連接的霍爾電流傳感器、反饋光耦電路和反饋信號(hào)放大電路，霍爾電流傳感器將所采集到的輸出端電流輸送給反饋光耦電路，所述反饋光耦電路再將電流輸送給反饋信號(hào)放大電路，經(jīng)放大后反饋給DSP處理器，控制DSP處理器的工作狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H02P11/06GK103475308SQ201310395382
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】李青海, 朱克敏, 余得貴, 黃河治 申請(qǐng)人:山東潤(rùn)峰電子科技有限公司